中心議題：
- 液晶背光亮度調(diào)節(jié)原理
- 液晶彩電背光的功率放大電路
- 輸出電路及正弦波的形成
解決方案：
- 全橋架構(gòu)
- 半橋架構(gòu)
- 推挽架構(gòu)
為了讓冷陰極燈管安全、高效穩(wěn)定地工作，其供電與激勵(lì)必須符合燈管的特性。具體而言，燈管的供電必須是頻率為30kHz~100kHz的正弦交流電。如果給燈管兩端加上直流電壓，會(huì)使部分氣體聚集在燈管的一端，則燈管就會(huì)一端亮一端暗。
在液晶彩電中，電源板輸出的電壓為+24V或+12V直流電壓，顯然不能直接驅(qū)動(dòng)背光燈管，因此需要一個(gè)升壓電路把電源板輸出較低的直流電轉(zhuǎn)換為背光燈管啟動(dòng)及正常工作所需的高頻正弦交流電。這個(gè)升壓電路組件就是常說(shuō)的背光燈驅(qū)動(dòng)板（Inverter），又稱(chēng)逆變器、升壓板或高壓板。
在液晶電視機(jī)中，背光燈驅(qū)動(dòng)板是一個(gè)單獨(dú)工作且受控于CPU的電路組件，其主要作用是點(diǎn)亮液晶屏內(nèi)的背光燈管，并在CPU的控制下進(jìn)行啟動(dòng)、停止（on/off）及亮度調(diào)節(jié)。
背光燈驅(qū)動(dòng)板主要由振蕩器、調(diào)制器、功率輸出電路及保護(hù)檢測(cè)電路組成，如1圖所示。在實(shí)際電路中，除功率輸出部分和檢測(cè)保護(hù)部分外，振蕩器、調(diào)制器及控制部分通常由一塊單片集成電路完成，這類(lèi)集成電路常用的主要有BD（Rohm公司生產(chǎn)，如BD9884FV、BD9766等）及OZ系列（凹凸微電子公司生產(chǎn)，如02960、02964等）；功率輸出管多采用互補(bǔ)的功率型場(chǎng)效應(yīng)管，有的采用3腳和8腳（①~③腳為S極，④腳為G極，⑤-⑧腳為D極）貼片封裝型，常見(jiàn)型號(hào)有D454、RSS085、D413、TPC8110、FDD6635.FDD6637等，如圖2所示；還有的采用由N溝道和P溝道組合的5腳或8腳MOSFET功率塊（①腳為Sl極，②腳為Gl極，③腳為S2極，④腳為G2極，⑤~⑧腳為D1、D2極），如SP8M3、TPC8406、4614、APM40520、P2804ND5G等，如圖3所示。保護(hù)檢測(cè)多由集成電路10393、358、393或LM324及其外圍元件來(lái)完成。輸出電路主要由高壓變壓器、諧振電容及背光燈管組成，并設(shè)有輸出電壓、輸出電流取樣電路。
圖1 背光燈驅(qū)動(dòng)板電路圖
圖2
圖3
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加電后，當(dāng)背光燈驅(qū)動(dòng)板收到CPU送來(lái)的“ON”信號(hào)（常見(jiàn)為高電平啟動(dòng)，多為3V~5V）后，控制振蕩器開(kāi)始工作，產(chǎn)生頻率為30kHz~lOOkHz的振蕩信號(hào)送入調(diào)制器內(nèi)部，對(duì)CPU送來(lái)的PWM亮度調(diào)節(jié)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后輸出斷續(xù)的30kHz~lOOkHz激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率輸出電路，經(jīng)高壓變壓器升壓后輸出高壓并點(diǎn)亮背光燈管。
PWM調(diào)制信號(hào)改變輸出高壓脈沖的寬度，從而達(dá)到改變亮度的目的。在背光燈管點(diǎn)亮后，L2、C及燈管組合使高壓交流電正弦化（低Q值串聯(lián)諧振），電容C的容抗及L2的感抗對(duì)背光燈管又起到限流的作用。
串聯(lián)在背光燈管上的取樣電阻R上的壓降作為背光燈管的工作狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)，送到保護(hù)檢測(cè)電路中。L3的輸出電壓作為輸出電壓取樣信號(hào)，也送到保護(hù)檢測(cè)電路中。
當(dāng)輸出電壓及背光燈管工作電流出現(xiàn)異常時(shí)，保護(hù)檢測(cè)電路控制調(diào)制器使之停止輸出，從而達(dá)到保護(hù)的目的。
1.背光亮度調(diào)節(jié)原理
一些液晶彩電通過(guò)調(diào)節(jié)背光燈亮度的方法來(lái)調(diào)節(jié)圖像亮度，尤其是早期產(chǎn)品。另外，大多數(shù)背光燈驅(qū)動(dòng)板自身也設(shè)有亮度調(diào)節(jié)電路。由于冷陰極燈管是一個(gè)非線性負(fù)載，若改變加在燈管兩端的電壓來(lái)改變燈管亮度，雖有一定效果，但弊端也顯而易見(jiàn)：一是這種方法對(duì)亮度的調(diào)節(jié)范圍非常有限；二是電壓的改變會(huì)導(dǎo)致燈管的電流大幅變化，過(guò)流時(shí)極易導(dǎo)致燈管損壞，電流減小會(huì)使燈管內(nèi)部的放電難以維持，同樣對(duì)燈管的壽命不利。
鑒于上述原因，目前冷陰極燈管的亮度調(diào)節(jié)均采用脈沖調(diào)光方式，具體方法是：用30Hz~200Hz的低頻脈沖波（PWM脈沖波的寬度受控于CPU）對(duì)加在燈管上的連續(xù)振蕩正弦波進(jìn)行調(diào)制，將連續(xù)振蕩波變成斷續(xù)振蕩波。在脈沖中斷期間停止對(duì)燈管供電，由于時(shí)間極短，燈管內(nèi)的電離狀態(tài)尚不能完全消失，但輻射的紫外線強(qiáng)度會(huì)下降，則管壁上的熒光粉激發(fā)量減小，亮度下降，這樣就達(dá)到了控制亮度的目的。只要控制PWM脈沖的占空比，就可以改變燈管在一個(gè)周期內(nèi)的加電時(shí)間，從而達(dá)到控制燈管平均亮度的目的。
脈沖調(diào)光方式實(shí)質(zhì)是反復(fù)啟動(dòng)、停止燈管工作，在此過(guò)程中，燈管兩端電壓及流過(guò)電流會(huì)頻繁突然變化，這樣反復(fù)沖擊必然會(huì)大大縮短燈管壽命。為克服這一缺點(diǎn)，目前廣泛采用一種“柔性”啟動(dòng)技術(shù)，即對(duì)調(diào)光脈沖包絡(luò)的前沿和后沿分別進(jìn)行連續(xù)遞增和遞減處理，其波形如4圖所示，這樣在燈管的開(kāi)/關(guān)瞬間，大幅降低了高壓脈沖對(duì)燈管的沖擊，從而不會(huì)影響燈管的使用壽命。
圖4
在多燈管的液晶屏中，在進(jìn)行背光燈亮度控制時(shí)，若同時(shí)關(guān)斷或接通所有燈管的供電，屏上易出現(xiàn)閃爍或滾道干擾現(xiàn)象，為防止此現(xiàn)象產(chǎn)生，加在每根燈管兩端的斷續(xù)脈沖相位應(yīng)有所差異，即交替輪流斷電、供電。
一般情況下，多燈管系統(tǒng)一般將燈管分為4組，每組燈管的PWM凋制脈沖依次移相90度，如圖5所示。
圖5
【提示】亮度調(diào)節(jié)可分為模式調(diào)節(jié)和PWM數(shù)字調(diào)節(jié)兩種方式，部分液晶彩電可在菜單中進(jìn)行選擇。另外，也有不少液晶彩電對(duì)圖像亮度的調(diào)節(jié)并不是通過(guò)調(diào)節(jié)背光燈亮度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是對(duì)上屏信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
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2.功率放大電路
功率放大器的作用是把調(diào)制器調(diào)制的高頻斷續(xù)脈沖放大，且功率達(dá)到足夠點(diǎn)亮燈管的功率。輸出電路是利用變壓器對(duì)功率放大后的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)一步的升壓，以達(dá)到激勵(lì)并點(diǎn)亮燈管的目的。另外，該電路還有一個(gè)重要的作用，就是把功率放大輸出的方波轉(zhuǎn)化為冷陰極熒光燈管工作所必需的正弦波。
在功率放大器中，目前各廠家生產(chǎn)的背光燈驅(qū)動(dòng)電路均采用MOSFET組成的功率輸出電路，雖然電路形式有所不同，但主要有以下四種基本形式。
（1）全橋架構(gòu)
全橋架構(gòu)功率放大電路如圖6所示，放大元件由4只MOSFET（兩只N溝道及兩只P溝道）組成，工作效率高，供電電壓范圍寬（6V~24V），特別適合在低電壓的場(chǎng)合應(yīng)用，目前已在筆記本電腦、液晶顯示器及液晶彩電中得到了廣泛應(yīng)用。
圖6 全橋架構(gòu)功率放大電路
（2）半橋架構(gòu)
半橋架構(gòu)功率放大電路如7圖所示，和全橋架構(gòu)相比，用兩只電容取代了兩只功率放大管（一只N溝道和一只P溝道的MOSFET）。在相同的輸出功率和負(fù)載阻抗情況下，供電電壓比全橋架構(gòu)要提高一倍（電流為全橋架構(gòu)的一半），多用在供電電壓較高的設(shè)備上（電壓高于12V）。
圖7 半橋架構(gòu)功率放大電路
以上兩種架構(gòu)的功率輸出電路中，每一個(gè)橋臂實(shí)質(zhì)是由N溝道和P溝道MOSFET組成的串聯(lián)推挽功率輸出電路。
（3）推挽架構(gòu)
這種架構(gòu)的功率放大電路如圖8所示，用了兩只廉價(jià)低導(dǎo)通電阻的N溝道MOSFET，使電路的效率更高（P溝道的MOSFET價(jià)格高，且由于導(dǎo)通電阻大，電路的效率較低），對(duì)于MOSFET管的篩選要求也低，電路所用元件也少，有利于最大限度地降低成本，但是，該推挽架構(gòu)對(duì)電源的穩(wěn)定性要求較高。
圖8 推挽架構(gòu)的功率放大電路
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（4）Royer架構(gòu)（自激振蕩）
自激振蕩器方式如圖9所示，不需要激勵(lì)控制電路，主要由兩只功率管和變壓器加反饋電路組成最簡(jiǎn)單的應(yīng)用方式，主要用在不需要嚴(yán)格控制燈的頻率和亮度的電路中。
圖9 自激振蕩器方式
由于Royer架構(gòu)是自激式設(shè)計(jì)，受元件參數(shù)偏差的影響，很難保證振蕩頻率和輸出電壓的穩(wěn)定，而這兩者均會(huì)直接影響到燈管的亮度和使用壽命，加之無(wú)法進(jìn)行亮度控制，雖然它是上述四種架構(gòu)中最簡(jiǎn)單、廉價(jià)的，但是一般不用于液晶顯示屏中，而是多用在廉價(jià)的節(jié)能燈上。
3.輸出電路及正弦波的形成
在背光板驅(qū)動(dòng)電路中，前級(jí)（振蕩器和調(diào)制器）和功率輸出部分基本上是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)（因開(kāi)關(guān)狀態(tài)工作效率高，輸出功率大），輸出信號(hào)基本也是開(kāi)關(guān)信號(hào)。燈管的最佳供電電壓波形應(yīng)是正弦波，為了保證燈管工作在最佳狀態(tài)（對(duì)于發(fā)光亮度及壽命是非常重要的），因此必須把功率輸出級(jí)輸出的方波信號(hào)變換為正弦波，這一過(guò)程簡(jiǎn)稱(chēng)正弦化過(guò)程，其具體處理方式有兩種：一是在高壓變壓器高壓輸出端進(jìn)行處理，二是在高壓變壓器低壓輸入端進(jìn)行處理。目前，大多采用后一方式，而前一種方式多用于早期的背光燈驅(qū)動(dòng)板中，下面分別進(jìn)行介紹。
（1）輸出電路正弦化處理方式
整個(gè)背光燈驅(qū)動(dòng)電路可以看作是一個(gè)他激振蕩器。一個(gè)振蕩器輸出什么波形完全取決于振蕩器的輸出電路特性，輸出電路如果是諧振電路，輸出必然是正弦波。因此，只要把高壓驅(qū)動(dòng)輸出電路做成一個(gè)諧振電路，就可以輸出正弦波。如果諧振電路的諧振頻率就是振蕩器的振蕩頻率，那么該電路就能最大限度地、高效地把能量傳輸給燈管。
在高壓變壓器的輸出端和燈管連接處串聯(lián)一只電容c（常稱(chēng)作輸出電容），如圖10所示。電容C和輸出高壓變壓器輸出繞組L及負(fù)載構(gòu)成的等效電路如圖11所示，電感L和電容C串聯(lián)成諧振電路，諧振時(shí)電流達(dá)到最大值，此最大電流即是流過(guò)燈管的電流，也意味著功率輸出的能量最大限度地輸送給了燈管。由于燈管也是串聯(lián)在電路中的一部分，便形成了串聯(lián)諧振電路的電阻分量，所以該諧振電路是低Q值電路，即使振蕩頻率略有偏差，也能保證能量的有效傳輸。
圖10在高壓變壓器的輸出端和燈管連接處串聯(lián)一只電容c
圖11 電容C和輸出高壓變壓器輸出繞組L及負(fù)載構(gòu)成的等效電路
【提示】電感L（即高壓變壓器的高壓繞組）易損壞。損壞后，一定要換用參數(shù)接近的變壓器，否則其性能會(huì)大幅下降，甚至不能使用。
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（2）輸入電路正弦化處理方式
在低壓輸入端正弦化處理的功率驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)圖如圖12所示，Vl、V4為P溝道MOSFET管，V2、V3為N溝道MOSFET管，電容Cl與高壓變壓器Tl的初級(jí)繞組Ll串聯(lián)。該功率驅(qū)動(dòng)電路的4路激勵(lì)脈沖如圖13所示。
圖12 在低壓輸入端正弦化處理的功率驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)圖
圖13 4路激勵(lì)脈沖
在t0-t1期間，V1、V3導(dǎo)通，V2、V4截止，電源經(jīng)V1、C1、L1、V3形成電流回路，如圖14所示。在此期間，流過(guò)L1的電流逐漸增大，Ll儲(chǔ)能，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左正右負(fù)。
圖14
在t1~t2期間，V1導(dǎo)通，V2~V4截止，流過(guò)Ll中的電流突然減小，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性反轉(zhuǎn)，即左負(fù)右正，該電動(dòng)勢(shì)經(jīng)V3中的阻尼二極管、Vl及Cl形成電流回路，如圖15所示。
圖15
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在t2~t3期間，V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止，L1與Cl諧振，Ll中儲(chǔ)存的電能通過(guò)Vl、V4給C1充電，流過(guò)Ll的電流逐漸減小，其電流回路如圖16所示。
圖16
在t3-t4期間，V1~V3截止，V4導(dǎo)通，L1中無(wú)電流流過(guò)，如下圖所示。
圖17
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在t4-t5期間，V2、V4導(dǎo)通。Vl、V3截止，電源經(jīng)V4、Ll，Cl、V2形成電流回路，如圖18所示，在此期間，流過(guò)Ll的電流反向，但電流值逐漸增大，Ll儲(chǔ)能，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左負(fù)右正。在t5~t6期間，V4導(dǎo)通，V1~V3截止，流過(guò)L1中的電流突然減小，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性反轉(zhuǎn)，即為左正右負(fù)，該電動(dòng)勢(shì)經(jīng)Vl中的阻尼二極管、V4及Cl形成電流回路，如19圖所示。
圖18
圖19
在t6~t7期間，V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止，L1與C1諧振，Ll中儲(chǔ)存的電能通過(guò)V1、V4給C1充電，流過(guò)L1的電流逐漸減小，其電流回路如圖20所示。
圖20
在t7~t8期間，V1導(dǎo)通，V2~V4截止，L1中無(wú)電流流過(guò)，如圖21所示。
圖21
